基于RFID和语音合成的导盲系统研究

存储器模块（从略）
阅读器模块设计
TRF7961控制寄存器 设置
TRF7961与单片机 通信设计
TRF7961与标签 通讯设计
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帧格式
命令编码
功能表 TRF7961 与标签通信
基于ISO15693
的通信协议
TRF7961 寻卡软件 设计
TRF7961 发送卡片协 议请求命令
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天线匝数和线圈半径的确定 根据ERC70-03规则确定：在 13.56MHz频率下，线圈天线的绕 线匝数为1~10T，本次采用4
导盲杖上，考虑实际，天线安装在导 盲杖前端，半径应小于5cm,综合考 虑选用3cm,那么天线线圈导体长度 公式为L=2NπR=0.75m.这也满足 电小环天线的理论要求。
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天线网络匹配
阅读器要求负载为50Ω ，要求将 天线安装在导盲杖前端，通过 50Ω 的同轴电缆连接到阅读器的 硬件上。 匹配网络减小了电路的反射，增 强了抗干扰性能，阅读器发射的 功率几乎全被传输到线圈上，以 耦合形式发射出去
天线网络 匹配
线圈天线采用直径1mm的铜导线， 匝数4，半径3mm,制作成圆形的 线圈天线，经阻抗分析仪测试为 2.023uH,满足要求
阅读器
语音合成与播放是系 统的“嘴”，本设计 摒弃了PAD或蓝牙或 智能手机来作为语音 提示的设备，采用价 格低廉的语音合成芯 片，将文本转换成语 音并从扬声器里发出
存储器模块主要用 来减轻电子标签的 存储压力，用来存 储常用的文本信息 和该路段详细信息 Page 12 12
存储器
语音合成与 播放
15.88
35.73 47.52 52.63 48.59
14.95 13.30
33.65 35.34 53.22 54.55 51.90 58.19 57.87 54.53
14.74
34.12 51.47 57.94 53.60
15.80
35.32 55.65 58.26 49.52
15.97
35.12 55.46 65.07 45.90
48.8 5
52.4 4 50.7 2 57.8 5
45
47.18
56.69 47.70
53.35
47.14
52.89 51.78
35.15 45.30
48.46
47.76
44.14
45.06
46.73
40.62
43.8 标签间距L 50 45.90 47.31 34.14 6 Page 28 28
实现线圈天线匹配到50Ω 的无源网络有多种，设计 采用串联电容C1，和并联 电容C2的方法。
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总结天线设计步骤
第一步 第二步 1，确定线圈天线匝数，半径等参数，这时， 线圈电感为2.032uH，此时的Q2=319,需要 并联电阻来调整Q1到15 2fLQ 1Q 2 R 2.由高频知识，需要并联电阻 Q 2 Q1 R=3KΩ 左右， 3.并联电阻3K欧后，Q=16.26.阻抗为
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阅读器模块芯片以及外围电路设计
根据ISO15693 国际标准选择TI公 司的阅读器芯片 TRF7961 供电电压正极输入 vin供给内部3组控 制器，输出三组电 压 为抑制噪声，选用 2.2uF和10uF的 电容作为旁路电容，
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电源设计部分：选 用5V作为 TRF7961供电电 压，
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阅读器环形天线与50欧的负载相连时，其Q值最 好不超过20，当Q值小语于20时，RFID阅读器 的B比较大，Q值太大，副载波处的幅度太小甚 至副载波在天线的边带之外，这会给数据的解调 带来困难，因此耦合式的RFID系统中常采用低 Q(10-30)天线，本次设计采用Q值为15
天线匝数和线圈半径的确定
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导盲杖应有的技术指标和需求：
功耗 导盲杖应便于把持， 兼有普通盲杖的探 路功能，重量不大 于1kg， 可至少 连续工作一天 实用 导盲杖系统引导的 速度应适应一般盲 人的步行速度，最 快速度不小于 1m/s 功能 导盲杖能给予盲人 语音提示，如方向 提示，道路位置提 示，以及道路周围 公共设施信息提示
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f0 2f 0 L B Q Q R
分析 分析
L为天线的等效电感， f0为天线的工作频率， R为天线的等效电阻
FID导盲系统中，RFID阅读器的工作频率f是个定值，为 13.56KHz,如果Q值太大，天线的带宽B会太小，则， RFID 读写器的调制边带信号幅度将会大幅降低，阅读器 的通带特性容易受到干扰，难以符合ISO15693的标准， 甚至引起RFID阅读器读取信息的障碍 结论
3
目 录 Contents
1
2 3
绪论，背景，研究现状
分析导盲系统中RFID的应用需求，从分类确定合适的频段及标签，为设计打基础
该RFID导盲系统中，导盲杖的软硬件总体方案，及盲道铺设总体方案
4
5 6 7
RFID导盲系统四大模块的硬件设计
导盲杖实际工作时，四大模块的软件功能
盲道铺设方案的相关实验，以及分析，得出合适的标签铺设间距
后续，不足，致谢
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前言
传统导盲系统：条形盲砖（行进），圆点型盲砖（提示路况变化） 超声波导盲，利用超声波测距，障碍物越近，蜂鸣声越大
导盲犬导盲
GPS导盲，利用GPS和地面基站，接收装置，计算出用户和目的地的地址坐标
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YOUR LOGO
RFID导盲优势所在
TRF7961 读取标签存储信息 软件设计
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每次实验读到的标签数N（张）和铺设总数n(张)
L(cm)
序号
1 11 17 19 21 22 23 20 20 18
2 12 15 19 20 21 20 21 19 19
3 13 17 20 21 24 20 21 21 18
4 12 16 20 20 25 23 23 21 18 10 15 22 21 23 24 21 21 19
单击添加文字
主使能端EN
辅助使能端 EN2
总之，在RFID导盲杖系统中，单片机通过EN来控制 TRF7961使能，TRF7961提供电源和时钟信号给单片机， 这样设计，即使在EN=0.TRF7961掉电的情况下， 单片机也可以正常的控制语音合成与播放模块和存储器模块。
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使能模式 设计
RFID电子标签可以存储附近障碍物及路况公共设施，方向等丰富的信息，可以给盲人详细提示信息
电子标签处在RFID天线识别范围内时就可以通信，且扫描通信时间短，不影响忙人行走的速度 电子标签内的存储器可多次擦除，改写，因此随路况信息改变，可以实现标签内信息的升级 RFID电子标签具有防水，防油，防尘的特点，可适应户外道路和恶劣环境，耐用性好 低频，高频的RFID技术具有较强的穿透能力，能够穿透纸张，水泥，木材等非金属材料，把RFID 标签铺设在盲道里，RFID标签和对应阅读器之间仍能通信，另外，把RFID标签铺设在地下， 可防止其被破坏
VDD_RF,VDD_ A,VDD_X
电路设计时，数字 地，模拟地，电路 地分开。
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内容页样式
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阅读器使能模式设计
1 阅读器TR7961的主使能输入是EN， EN在1.8v到5v之间的任何输入信号电平 都有效，设计中，单片机通过端口p2.0 控制TRF7961使能端EN,当EN=1时，阅 读器所有控制器均使能。 2 TRF7961的辅助使能端EN2与5v直 接相连，这样设计的目的在于保证了， 无论EN=1,还是EN=0，都能给单片机提 供3.3v的供电电压和时钟脉冲信号 （EN=1,6.78MHz,EN=0,60Hz）.
使用13.56MHz的频率 可读可写 有很好的数据安全方式 与阅读器之间的身份认证，采用 RTF
两种标准差异


可被多个阅读器混合读写
有防冲撞性能
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导盲系统总体设计
导盲杖硬件总体设计
1、MCU模块
导盲杖软件总体设计 确定好软件工作 总体流程图
电子标签的内容存储设计 和铺设设计
阅读器
语音合成 与播放
存储器
硬件总体框架
MCU 主控
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MCU模块是导盲杖的“大 脑”，采用单片机 MSP430F123控制各模块 分工协作，MCU控制阅读 器读取标签信息，控制读 取存储器模块信息，控制 语音合成与播放模块 播放语音提醒 MCU主控模块
阅读器是系统的“手”， 读取tag信息
单片机MSP430F123的接口设计
单击添加段落文字
RFID导盲系统中，单片机MPS430F123是整个系统的大脑，它指导各 部分分工协作，它与各个模块之间的通信是通过接口来实现的 Page 13 13
主控模块单片机的设计
单片机的设计还包括了 单片机GPAT接口设计 单片机复位电路和 时钟电路的设计
2、RFID阅读器模块 3、语音合成与播放模块 4、存储器模块
目前电子标签内存范围为 16B~64KB,小容量的电子 标签内存可选择16B，大 的则可选用512B以上，够 用就行 盲道铺设的要求： 盲道上铺设的RFID标签， 可使盲人走在盲道中间 以一定的间隔来铺设，使 其利用率最大化
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点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本
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导盲杖天线的设计与安装
匹配 天线网络
利用匹配网络知识， 计算并联电阻， 电容电感值 基于高频知识， 定量计算 选用电小环的 线圈天线
选择阅读器 天线类型
调谐 阅读器天线
选择天线的 品质因数Q
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天线品质因数Q的确定
公式
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标签的选择，从分类上
依据标签能量供给方式 依据标签数据调试方式 依据工作频率 依据通信时须
选择 无源
选择被动式
选择高频 13.56MHz
选择 RTF系统
考虑高频13.56MHzRFID电子标签的两个国际标准：ISO15693和ISO14443，并选择
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选用标准
两种标准共同点
n / N , v [(n 1)( L 8.6) 8.6] / t
5 11 15 18 21 22 22 22 20 19
6
7 12 14 19 20 24 23 20 19 18
8 13 16 21 20 22 24 20 21 18
9 12 18 20 21 24 24 21 20 19
10 12 18 20 21 25 24 22 20 19
n(张) 41 41 33 30 27 25 23 21 19
第三步
Z 1 10.5 j170
第四步
4.将Z1除以50做归一化处理，查斯密 斯阻抗-导纳圆后计算C1,C2,计算结果 C1=556pF,采用390pF和56pF并联， C2=88pF,采用68pF和10pF并联。
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软件部分
各模块软件部分设计
语音合成与播放模块（从 略）
阅读器通讯设计
TRF7961的通讯接口可以配置成两种方 式：一种是并行8管脚接口，一种是SPI 接口。两种方式互斥，为节约单片机的 接口，选用SPI的接口与单片机相连 上电时，阅读器采样IO0-IO2这三管脚的状态，如果它 们不一样，就进入SPI模式，因此设计IO0接地，IO1,IO2 接高电平，选用SPI接口IO7为MOSI数据输入IO6为 MISO的数据输出，IO4为从设备选择，DATA_CLK为SPI 时钟。阅读器检测到附近的电子标签的应答后，阅读器 通过IRQ引脚传送一个个中断给单片机
基于RFID和语音合成的导盲系统研究
1
旨在设计便携式，低成本的RFID的导盲系统，该系统不需要网络，手提电脑， 手机等设备提前下，能够由导盲杖获取铺设在盲道上的RFID标签内的信息， 2 并且具有语音合成与播放的功能，给与忙人语音提示。
设计并实施对RFID电子标签铺设实验，对实验 结果进行分析，得到合理的电子标签铺设间距。
10 20 30 35 40 45 50 55 60
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序号 1 L（cm）
各次实验所用时间t（s）
2 17.8 3 37.4 5 3 4 5 6 7 8 9 10
10
20 30 35 40
15.56
38.18 58.77 57.52 52.20
16.10 17.32
33.99 36.06 50.52 52.82 57.30 59.05 57.65 53.34